ของเหลว

ภาพความร้อนของอ่างล้างจานที่เต็มไปด้วยน้ำร้อนและมีการเติมน้ำเย็นลงไปแสดงให้เห็นว่าน้ำร้อนและน้ำเย็นไหลเข้าหากันอย่างไร

ของเหลวเป็นหนึ่งในสี่รัฐหลักของเรื่องกับคนอื่น ๆ ที่ถูกของแข็งก๊าซและพลาสม่า ของเหลวเป็นของเหลว โมเลกุลในของเหลวมีอิสระในการเคลื่อนที่แตกต่างจากของแข็งมาก แรงที่ยึดโมเลกุลเข้าด้วยกันในของแข็งจะเกิดขึ้นเพียงชั่วคราวในของเหลวทำให้ของเหลวไหลในขณะที่ของแข็งยังคงแข็ง

ของเหลวเช่นก๊าซแสดงคุณสมบัติของของเหลว ของเหลวสามารถไหลได้โดยถือว่าเป็นรูปร่างของภาชนะและหากวางไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทจะกระจายความดันที่ใช้ไปอย่างเท่าเทียมกันไปยังทุกพื้นผิวในภาชนะ หากใส่ของเหลวลงในถุงสามารถบีบให้เป็นรูปทรงใดก็ได้ ของเหลวเกือบจะไม่สามารถบีบอัดได้ซึ่งแตกต่างจากก๊าซซึ่งหมายความว่ามีปริมาตรเกือบคงที่ในช่วงความกดดันที่หลากหลาย โดยทั่วไปแล้วมันไม่ได้ขยายเพื่อเติมเต็มพื้นที่ว่างในภาชนะ แต่สร้างพื้นผิวของมันเองและอาจผสมกับของเหลวอื่นไม่ได้เสมอไป คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ของเหลวเหมาะสำหรับการใช้งานเช่นระบบไฮดรอลิกส์

อนุภาคของเหลวถูกมัดอย่างแน่นหนา แต่ไม่แน่นหนา พวกมันสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ กันได้อย่างอิสระส่งผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้ในระดับ จำกัด เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นการสั่นของโมเลกุลที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น เมื่อของเหลวถึงจุดเดือดแรงยึดเกาะที่ยึดโมเลกุลเข้าด้วยกันจะแตกออกและของเหลวจะเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซ (เว้นแต่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป ) ถ้าอุณหภูมิลดลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะเล็กลง เมื่อของเหลวถึงจุดเยือกแข็งโมเลกุลมักจะล็อคเป็นลำดับที่เฉพาะเจาะจงมากเรียกว่าการตกผลึกและพันธะระหว่างพวกมันจะแข็งขึ้นเปลี่ยนของเหลวให้เป็นสถานะของแข็ง (เว้นแต่จะเกิดการระบายความร้อนสูง )

เพียงสององค์ประกอบที่มีสภาพคล่องในภาวะมาตรฐาน : ปรอทและโบรมีน สี่องค์ประกอบอื่น ๆ ได้ละลายจุดเล็กน้อยเหนืออุณหภูมิห้อง : แฟรนเซียม , ซีเซียม , แกลเลียมและรูบิเดียม ^[1]โลหะผสมที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ได้แก่NaKโลหะผสมโซเดียมโพแทสเซียมกาลินสแตนของเหลวผสมที่หลอมละลายได้และอะมัลกัมบางชนิด(โลหะผสมที่เกี่ยวข้องกับปรอท)

สารบริสุทธิ์ที่เป็นของเหลวภายใต้สภาวะปกติ ได้แก่ น้ำเอทานอลและตัวทำละลายอินทรีย์อื่น ๆ อีกมากมาย น้ำเหลวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเคมีและชีววิทยา เชื่อกันว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของชีวิต

ของเหลวนินทรีย์มีน้ำหนืด, ตัวทำละลาย nonaqueous นินทรีย์และอีกหลายกรด

ของเหลวในชีวิตประจำวันที่สำคัญ ได้แก่ น้ำแก้ปัญหาเช่นของใช้ในครัวเรือนสารฟอกสีอื่น ๆผสมของสารที่แตกต่างกันเช่นน้ำมันแร่และน้ำมันอีมัลชั่เช่นvinaigretteหรือมายองเนส , สารแขวนลอยเช่นเลือดและคอลลอยด์เช่นสีและนม

ก๊าซจำนวนมากสามารถเหลวโดยการระบายความร้อน, การผลิตของเหลวเช่นออกซิเจนเหลว , ไนโตรเจนเหลว , ไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว อย่างไรก็ตามก๊าซบางชนิดไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวได้ที่ความดันบรรยากาศ ตัวอย่างเช่นคาร์บอนไดออกไซด์สามารถทำให้เป็นของเหลวได้ที่ความดันสูงกว่า 5.1 atmเท่านั้น ^[2]

วัสดุบางชนิดไม่สามารถจำแนกได้ในสามสถานะของสสารคลาสสิก มีคุณสมบัติเหมือนของแข็งและของเหลว ตัวอย่าง ได้แก่ผลึกเหลวที่ใช้ในการแสดงจอแอลซีดีและเยื่อชีวภาพ

โคมไฟลาวามีสองของเหลวแปร (ขี้ผึ้งหลอมละลายและการแก้ไขปัญหาน้ำก) ที่เพิ่มการเคลื่อนไหวเนื่องจากการพาความร้อน นอกจากพื้นผิวด้านบนแล้วพื้นผิวยังก่อตัวขึ้นระหว่างของเหลวโดยต้องใช้ตัวแบ่งแรงดึงเพื่อรวมหยดขี้ผึ้งที่ด้านล่างอีกครั้ง

ของเหลวมีประโยชน์หลายอย่างเช่นน้ำมันหล่อลื่นตัวทำละลายและสารหล่อเย็น ในระบบไฮดรอลิกของเหลวจะใช้ในการส่งกำลัง

ในtribologyของเหลวมีการศึกษาสำหรับคุณสมบัติของพวกเขาเป็นสารหล่อลื่น น้ำมันหล่อลื่นเช่นน้ำมันถูกเลือกเพื่อความหนืดและลักษณะการไหลที่เหมาะสมตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานของส่วนประกอบ น้ำมันมักจะใช้ในเครื่องยนต์กล่องเกียร์ , โลหะและระบบไฮดรอลิสำหรับคุณสมบัติการหล่อลื่นที่ดีของพวกเขา ^[3]

ของเหลวหลายชนิดใช้เป็นตัวทำละลายเพื่อละลายของเหลวหรือของแข็งอื่น ๆ การแก้ปัญหาที่พบในความหลากหลายของการใช้งานรวมถึงสี , เคลือบหลุมร่องฟันและกาว แนฟทาและอะซิโตนมักใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อทำความสะอาดน้ำมันจารบีและน้ำมันดินจากชิ้นส่วนและเครื่องจักร ของเหลวในร่างกายเป็นสารละลายที่มีส่วนผสมของน้ำ

ลดแรงตึงผิวมักจะพบในสบู่และผงซักฟอก ตัวทำละลายเช่นแอลกอฮอล์มักจะใช้เป็นยาต้านจุลชีพ พวกเขาถูกพบในเครื่องสำอาง, หมึก , และของเหลวเลเซอร์สีย้อม พวกเขาจะใช้ในอุตสาหกรรมอาหารในกระบวนการต่าง ๆ เช่นการสกัดน้ำมันพืช ^[4]

ของเหลวมีแนวโน้มที่จะนำความร้อนได้ดีกว่าก๊าซและความสามารถในการไหลทำให้ของเหลวเหมาะสำหรับการขจัดความร้อนส่วนเกินออกจากส่วนประกอบทางกล ความร้อนที่สามารถถอดออกได้โดย channeling ของเหลวผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อนเช่นหม้อน้ำหรือความร้อนที่สามารถถอดออกด้วยของเหลวในระหว่างการระเหย ^[5]สารหล่อเย็นแบบน้ำหรือไกลคอลใช้เพื่อป้องกันไม่ให้เครื่องยนต์ร้อนเกินไป ^[6]สารหล่อเย็นที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีน้ำหรือของเหลวโลหะเช่นโซเดียมหรือบิสมัท ^[7] ฟิล์มขับเคลื่อนที่เป็นของเหลวถูกนำมาใช้เพื่อทำให้ห้องขับดันของจรวดเย็นลง ^[8]ในการตัดเฉือนจะใช้น้ำและน้ำมันเพื่อขจัดความร้อนส่วนเกินที่เกิดขึ้นซึ่งสามารถทำลายทั้งชิ้นงานและเครื่องมือได้อย่างรวดเร็ว ในระหว่างที่มีเหงื่อเหงื่อจะขจัดความร้อนออกจากร่างกายมนุษย์โดยการระเหยออกไป ในอุตสาหกรรมทำความร้อนการระบายอากาศและเครื่องปรับอากาศ (HVAC) ของเหลวเช่นน้ำถูกใช้เพื่อถ่ายเทความร้อนจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ^[9]

ในทำนองเดียวกันของเหลวมักใช้ในการปรุงอาหารเพื่อให้มีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้น นอกเหนือไปจากการนำดีกว่าเพราะของเหลวที่อบอุ่นขยายและเพิ่มขึ้นในขณะที่สัญญาพื้นที่เย็นและอ่างล้างจานของเหลวที่มีระดับต่ำความหนืดมีแนวโน้มที่จะถ่ายเทความร้อนผ่านการพาความร้อนที่อุณหภูมิค่อนข้างคงที่ทำให้เป็นของเหลวที่เหมาะสมสำหรับการลวก , ต้มหรือทอด อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยการกลั่นก๊าซให้เป็นของเหลว ที่จุดเดือดของของเหลวทั้งหมดของพลังงานความร้อนที่ใช้ในการก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนจากของเหลวเป็นก๊าซโดยไม่ต้องเพิ่มขึ้นมาพร้อมกับอุณหภูมิและถูกเก็บไว้เป็นสารเคมีที่พลังงานที่มีศักยภาพ เมื่อก๊าซควบแน่นกลับเป็นของเหลวพลังงานความร้อนส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาที่อุณหภูมิคงที่ ปรากฏการณ์นี้จะใช้ในกระบวนการต่าง ๆ เช่นการนึ่ง เนื่องจากของเหลวมักมีจุดเดือดที่แตกต่างกันส่วนผสมหรือสารละลายของของเหลวหรือก๊าซโดยทั่วไปสามารถแยกออกได้โดยการกลั่นโดยใช้ความร้อนความเย็นสูญญากาศความดันหรือวิธีการอื่น ๆ กลั่นสามารถพบได้ในทุกอย่างจากการผลิตของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์เพื่อให้โรงกลั่นน้ำมันเพื่อการกลั่นอุณหภูมิของก๊าซเช่นอาร์กอน , ออกซิเจน , ไนโตรเจน , นีออนหรือซีนอนโดยเหลว (ระบายความร้อนด้านล่างจุดเดือดของแต่ละคน) ^[10]

ของเหลวที่เป็นส่วนประกอบหลักของไฮดรอลิระบบซึ่งใช้ประโยชน์จากกฎหมายของปาสคาลที่จะให้อำนาจของเหลว อุปกรณ์เช่นปั๊มและกังหันน้ำถูกนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของของเหลวให้เป็นงานเชิงกลมาตั้งแต่สมัยโบราณ น้ำมันถูกบังคับผ่านปั๊มไฮโดรลิคซึ่งส่งพลังนี้เพื่อกระบอกไฮโดรลิ ไฮดรอลิสามารถพบได้ในการใช้งานเป็นจำนวนมากเช่นเบรกยานยนต์และการส่งสัญญาณ , เครื่องจักรกลหนัก , และระบบการควบคุมเครื่องบิน เครื่องอัดไฮดรอลิกต่างๆใช้กันอย่างแพร่หลายในการซ่อมแซมและการผลิตสำหรับการยกการกดการหนีบและการขึ้นรูป ^[11]

บางครั้งมีการใช้ของเหลวในอุปกรณ์ตรวจวัด เครื่องวัดอุณหภูมิมักจะใช้ในการขยายความร้อนของของเหลวเช่นปรอทรวมกับความสามารถในการไหลเพื่อบ่งชี้อุณหภูมิ manometerใช้น้ำหนักของของเหลวเพื่อบ่งชี้ความดันอากาศ ^[12]

ปริมาณ

ปริมาณของของเหลวจะถูกวัดในหน่วยของปริมาณ สิ่งเหล่านี้รวมถึงหน่วยSIลูกบาศก์เมตร (m ³ ) และหน่วยงานโดยเฉพาะลูกบาศก์เดซิเมตรที่มักเรียกกันว่าลิตร (1 dm ³ = 1 L = 0.001 m ³ ) และลูกบาศก์เซนติเมตรเรียกอีกอย่างว่ามิลลิลิตร (1 ซม. ³ = 1 มล. = 0.001 L = 10 ⁻⁶ม. ³ ) ^[13]

ปริมาณของปริมาณของของเหลวได้รับการแก้ไขจากอุณหภูมิและความดัน โดยทั่วไปของเหลวจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและจะหดตัวเมื่อทำให้เย็นลง น้ำระหว่าง 0 ° C ถึง 4 ° C เป็นข้อยกเว้นที่น่าสังเกต ^[14]

บนมืออื่น ๆ ของเหลวมีน้อยอัด ตัวอย่างเช่นน้ำจะบีบอัดเพียง 46.4 ส่วนต่อล้านสำหรับการเพิ่มขึ้นของความดันบรรยากาศ (บาร์) ทุกหน่วย ^[15]ที่ความดันประมาณ 4000 บาร์ (400 เมกะปาสคาลหรือ 58,000 psi ) ที่อุณหภูมิห้องน้ำจะมีปริมาตรลดลงเพียง 11% ^{[16] ความ}สามารถในการบีบอัดทำให้ของเหลวเหมาะสำหรับการส่งกำลังไฮดรอลิกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดันที่จุดหนึ่งในของเหลวจะถูกส่งไปยังส่วนอื่น ๆ ของของเหลวโดยไม่ได้ จำกัด และพลังงานน้อยมากที่สูญเสียไปในรูปของการบีบอัด ^[17]

อย่างไรก็ตามความสามารถในการบีบอัดเล็กน้อยนำไปสู่ปรากฏการณ์อื่น ๆ การกระแทกของท่อที่เรียกว่าค้อนน้ำเกิดขึ้นเมื่อวาล์วปิดอย่างกะทันหันสร้างแรงดันขนาดใหญ่ที่วาล์วซึ่งเคลื่อนที่ย้อนกลับผ่านระบบด้วยความเร็วของเสียง ปรากฏการณ์ที่เกิดจากอีก incompressibility ของเหลวเป็นโพรงอากาศ เนื่องจากของเหลวมีความยืดหยุ่นเพียงเล็กน้อยจึงสามารถดึงออกจากกันได้อย่างแท้จริงในบริเวณที่มีความปั่นป่วนสูงหรือมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางอย่างมากเช่นขอบด้านท้ายของใบพัดเรือหรือมุมที่แหลมคมในท่อ ของเหลวในบริเวณที่มีความดันต่ำ (สุญญากาศ) จะกลายเป็นไอและก่อตัวเป็นฟองซึ่งจะยุบตัวลงเมื่อเข้าสู่บริเวณที่มีความดันสูง สิ่งนี้ทำให้ของเหลวเข้าไปเติมช่องว่างที่ฟองอากาศทิ้งไว้ด้วยแรงที่มีการแปลอย่างมากทำให้พื้นผิวของแข็งที่อยู่ติดกันนั้นสึกกร่อน ^[18]

ความดันและการลอยตัว

ในสนามโน้มถ่วงของเหลวจะออกแรงกดที่ด้านข้างของภาชนะเช่นเดียวกับสิ่งใด ๆ ภายในของเหลวเอง ความดันนี้ถูกส่งไปทุกทิศทางและเพิ่มขึ้นตามความลึก หากของเหลวหยุดนิ่งในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอความดัน${\ displaystyle p}$ ที่ระดับความลึก ${\ displaystyle z}$มอบให้โดย^[19]

${\ displaystyle p = p_ {0} + \ rho gz \,}$

ที่ไหน:

${\ displaystyle p_ {0} \,}$ คือความดันที่พื้นผิว

${\ displaystyle \ rho \,}$คือ ความหนาแน่นของของเหลวซึ่งถือว่าสม่ำเสมอกับความลึก

${\ displaystyle g \,}$คือ ความเร่งโน้มถ่วง

สำหรับแหล่งน้ำที่เปิดสู่อากาศ ${\ displaystyle p_ {0}}$จะเป็นความดันบรรยากาศ

ของเหลวคงที่ในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอยังแสดงปรากฏการณ์การลอยตัวซึ่งวัตถุที่แช่อยู่ในของเหลวจะสัมผัสกับแรงสุทธิอันเนื่องมาจากการแปรผันของความดันกับความลึก ขนาดของแรงเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่เคลื่อนย้ายโดยวัตถุและทิศทางของแรงขึ้นอยู่กับความหนาแน่นเฉลี่ยของวัตถุที่แช่อยู่ ถ้าความหนาแน่นน้อยกว่าของของเหลวแรงลอยตัวจะชี้ขึ้นและวัตถุจะลอยขึ้นในขณะที่ถ้าความหนาแน่นมากขึ้นแรงลอยตัวจะชี้ลงด้านล่างและวัตถุจะจมลง นี้เรียกว่าหลักการของอาร์คิมิดีส ^[20]

พื้นผิว

คลื่นผิวน้ำในน้ำ

เว้นแต่ปริมาตรของของเหลวจะตรงกับปริมาตรของภาชนะทั้งหมดจะสังเกตเห็นพื้นผิวอย่างน้อยหนึ่งอย่าง การปรากฏตัวของพื้นผิวทำให้เกิดปรากฏการณ์ใหม่ซึ่งไม่มีอยู่ในของเหลวจำนวนมาก เนื่องจากโมเลกุลที่พื้นผิวมีพันธะกับโมเลกุลของของเหลวอื่น ๆ ที่ด้านในของพื้นผิวเท่านั้นซึ่งแสดงถึงแรงสุทธิที่ดึงโมเลกุลของพื้นผิวเข้าด้านใน ในทางเดียวกันแรงนี้สามารถอธิบายได้ในรูปของพลังงาน: มีจำนวนพลังงานคงที่ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพื้นผิวของพื้นที่ที่กำหนด ปริมาณนี้เป็นคุณสมบัติของวัสดุที่เรียกว่าแรงตึงผิวในหน่วยของพลังงานต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ (หน่วย SI: J / m ² ) ของเหลวที่มีแรงระหว่างโมเลกุลที่รุนแรงมักจะมีความตึงผิวมาก ^[21]

ผลกระทบในทางปฏิบัติของแรงตึงผิวคือของเหลวมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวของมันให้เหลือน้อยที่สุดทำให้เกิดหยดและฟองเป็นทรงกลมเว้นแต่จะมีข้อ จำกัด อื่น ๆ แรงตึงผิวเป็นผู้รับผิดชอบสำหรับช่วงของปรากฏการณ์อื่น ๆ เช่นกันรวมทั้งคลื่นพื้นผิว , การกระทำของเส้นเลือดฝอย , เปียกและระลอก ในของเหลวภายใต้การกักขังระดับนาโนเอฟเฟกต์พื้นผิวสามารถมีบทบาทเหนือพื้นผิวได้ตั้งแต่เมื่อเทียบกับตัวอย่างของเหลวในระดับมหภาคส่วนของโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่ามากจะอยู่ใกล้พื้นผิว

แรงตึงผิวของของเหลวมีผลโดยตรงต่อของมันเปียก ของเหลวทั่วไปส่วนใหญ่มีความตึงเครียดตั้งแต่หลายสิบ mJ / m ²ดังนั้นหยดน้ำมันน้ำหรือกาวจึงสามารถผสานและเกาะติดกับพื้นผิวอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดายในขณะที่โลหะเหลวเช่นปรอทอาจมีความตึงเครียดตั้งแต่หลายร้อย mJ / m ²ดังนั้นหยดจึงไม่รวมตัวกันได้ง่ายและพื้นผิวอาจเปียกภายใต้เงื่อนไขเฉพาะเท่านั้น

ความตึงผิวของของเหลวทั่วไปมีช่วงค่าที่ค่อนข้างแคบซึ่งแตกต่างอย่างมากกับการเปลี่ยนแปลงอย่างมากที่เห็นในคุณสมบัติเชิงกลอื่น ๆ เช่นความหนืด ^[22]

ไหล

แบบจำลองของ ความหนืด ของเหลวทางด้านซ้ายมีความหนืดต่ำกว่าและพฤติกรรมของนิวตันในขณะที่ของเหลวทางด้านขวามีความหนืดสูงกว่าและพฤติกรรมที่ไม่ใช่นิวตัน

ที่มีความสำคัญทางกายภาพลักษณะการไหลของของเหลวที่มีความหนืด โดยสัญชาตญาณความหนืดอธิบายถึงความต้านทานของของเหลวที่จะไหล

ในทางเทคนิคมากขึ้นความหนืดจะวัดความต้านทานของของเหลวต่อการเปลี่ยนรูปในอัตราที่กำหนดเช่นเมื่อถูกตัดด้วยความเร็ว จำกัด ^[23]ตัวอย่างเฉพาะคือของเหลวที่ไหลผ่านท่อในกรณีนี้ของเหลวจะได้รับการเปลี่ยนรูปแบบเฉือนเนื่องจากไหลช้ากว่าใกล้ผนังของท่อมากกว่าที่อยู่ใกล้ศูนย์กลาง เป็นผลให้มีความหนืดต่อการไหล ในการรักษาการไหลต้องใช้แรงภายนอกเช่นความแตกต่างของแรงดันระหว่างปลายท่อ

ความหนืดของของเหลวจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ^{[24] [25]}

การควบคุมความหนืดอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานหลายประเภทโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการหล่อลื่น วิธีหนึ่งในการควบคุมดังกล่าวคือการผสมของเหลวสองชนิดขึ้นไปที่มีความหนืดต่างกันในอัตราส่วนที่แม่นยำ ^[26]นอกจากนี้ยังมีสารเติมแต่งหลายชนิดซึ่งสามารถปรับการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของความหนืดของน้ำมันหล่อลื่น ความสามารถนี้มีความสำคัญเนื่องจากเครื่องจักรมักทำงานในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง (ดูดัชนีความหนืดด้วย ) ^[27]

พฤติกรรมความหนืดของของเหลวสามารถเป็นได้ทั้งนิวตันหรือไม่ใช่ของนิวตัน ของเหลวของนิวตันแสดงเส้นกราฟความเครียด / ความเค้นเชิงเส้นซึ่งหมายความว่าความหนืดไม่ขึ้นอยู่กับเวลาอัตราการเฉือนหรือประวัติอัตราเฉือน ตัวอย่างของของเหลวนิวตันประกอบด้วยน้ำ, กลีเซอรีน , น้ำมันเครื่อง , น้ำผึ้งหรือปรอท ของเหลวที่ไม่ใช่นิวตันคือของเหลวที่ความหนืดไม่เป็นอิสระจากปัจจัยเหล่านี้และอาจมีความข้น (ความหนืดเพิ่มขึ้น) หรือบางลง (ความหนืดลดลง) ภายใต้แรงเฉือน ตัวอย่างของของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตันรวมถึงซอสมะเขือเทศ , มายองเนส , เจลผม , Play-Dohหรือแป้งโซลูชั่น ^[28]

ความยืดหยุ่นภายใต้การคุมขัง

ของเหลวที่ถูกกักอาจมีคุณสมบัติเชิงกลที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับของเหลวจำนวนมาก ตัวอย่างเช่นของเหลวภายใต้การ จำกัด ขนาดย่อยมิลลิเมตร (เช่นในช่องว่างระหว่างผนังแข็ง) แสดงการตอบสนองทางกลที่เหมือนของแข็งและมีโมดูลัสแรงเฉือนความถี่ต่ำขนาดใหญ่ที่น่าประหลาดใจซึ่งจะปรับขนาดด้วยกำลังลูกบาศก์ผกผันของความยาวที่ จำกัด ^[29]

การขยายเสียง

ความเร็วของเสียงในของเหลวกำหนดโดย ${\ displaystyle c = {\ sqrt {K / \ rho}}}$ ที่ไหน ${\ displaystyle K}$คือโมดูลัสจำนวนมากของของเหลวและ${\ displaystyle \ rho}$ความหนาแน่น ตัวอย่างเช่นน้ำมีโมดูลัสจำนวนมากประมาณ 2.2 GPaและความหนาแน่น 1,000 kg / m ³ซึ่งให้c = 1.5 km / s ^[30]

การเปลี่ยนเฟส

ทั่วไป เฟสไดอะแกรม เส้นประแสดงพฤติกรรมที่ผิดปกติของน้ำ เส้นสีเขียวแสดงให้เห็นว่า จุดเยือกแข็งแปรผันตามความดันได้อย่างไรและเส้นสีน้ำเงินแสดงให้เห็นว่า จุดเดือดแปรผันตามความดันได้อย่างไร เส้นสีแดงแสดงขอบเขตที่ สามารถเกิดการระเหิดหรือ การทับถมได้

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดสสารใด ๆ ในรูปของเหลวจะระเหยออกไปจนกว่าจะถึงสภาวะสมดุลด้วยกระบวนการย้อนกลับของการควบแน่นของไอ เมื่อถึงจุดนี้ไอจะควบแน่นในอัตราเดียวกับที่ของเหลวระเหย ดังนั้นของเหลวจะไม่สามารถดำรงอยู่ได้อย่างถาวรหากของเหลวที่ระเหยถูกกำจัดออกไปอย่างต่อเนื่อง ^[31]โดยปกติของเหลวที่หรือสูงกว่าจุดเดือดจะเดือดแม้ว่าความร้อนสูงเกินไปสามารถป้องกันสิ่งนี้ได้ในบางสถานการณ์

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของเหลวมักจะตกผลึกเปลี่ยนเป็นของแข็ง ซึ่งแตกต่างจากการเปลี่ยนไปเป็นก๊าซไม่มีความสมดุลที่การเปลี่ยนแปลงนี้ภายใต้ความดันคงที่^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}ดังนั้นเว้นแต่จะเกิดsupercoolingขึ้นในที่สุดของเหลวก็จะตกผลึกอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามนี่เป็นจริงภายใต้ความดันคงที่เท่านั้นดังนั้น (เช่น) น้ำและน้ำแข็งในภาชนะปิดที่แข็งแรงอาจถึงจุดสมดุลที่ทั้งสองเฟสอยู่ร่วมกัน สำหรับการเปลี่ยนแปลงตรงข้ามจากของแข็งเป็นของเหลวดูละลาย

ของเหลวในอวกาศ

แผนภาพเฟสอธิบายว่าเหตุใดของเหลวจึงไม่มีอยู่ในอวกาศหรือสุญญากาศอื่น ๆ เนื่องจากความดันเป็นศูนย์ (ยกเว้นบนพื้นผิวหรือภายในของดาวเคราะห์และดวงจันทร์) น้ำและของเหลวอื่น ๆ ที่สัมผัสกับอวกาศจะเดือดหรือแข็งตัวทันทีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ในพื้นที่ของอวกาศใกล้โลกน้ำจะแข็งตัวหากดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสงโดยตรงและกลายเป็นไอ (ประเสริฐ) ทันทีที่อยู่ในแสงแดด หากมีน้ำเป็นน้ำแข็งบนดวงจันทร์ก็สามารถดำรงอยู่ได้เฉพาะในหลุมที่มีเงาซึ่งดวงอาทิตย์ไม่เคยส่องแสงและโดยที่หินโดยรอบไม่ร้อนขึ้นมากเกินไป ในบางจุดใกล้กับวงโคจรของดาวเสาร์แสงจากดวงอาทิตย์จางเกินไปจนน้ำแข็งละเอียดเป็นไอน้ำ สิ่งนี้เห็นได้ชัดจากอายุขัยของน้ำแข็งที่ประกอบเป็นวงแหวนของดาวเสาร์

แนวทางแก้ไข

ของเหลวสามารถสร้างสารละลายด้วยก๊าซของแข็งและของเหลวอื่น ๆ

ของเหลวสองชนิดเป็นของเหลวที่ผสมกันได้หากสามารถสร้างสารละลายในสัดส่วนใดก็ได้ มิฉะนั้นจะไม่สามารถมองเห็นได้ ตัวอย่างเช่นน้ำและเอทานอล (การดื่มแอลกอฮอล์) เป็นน้ำที่ผสมกันไม่ได้ในขณะที่น้ำและน้ำมันเบนซินเป็นสิ่งที่จับต้องไม่ได้ ^[32]ในบางกรณีส่วนผสมของของเหลวที่ไม่สามารถละลายได้อย่างอื่นสามารถทำให้เสถียรเพื่อสร้างอิมัลชันได้โดยของเหลวหนึ่งจะกระจายไปทั่วอีกของเหลวหนึ่งเป็นหยดขนาดเล็ก โดยปกติสิ่งนี้จำเป็นต้องมีสารลดแรงตึงผิวเพื่อที่จะทำให้หยดมีเสถียรภาพ ตัวอย่างที่คุ้นเคยของอิมัลชันเป็นมายองเนสซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมของน้ำและน้ำมันที่มีเสถียรภาพโดยเลซิตินซึ่งเป็นสารที่พบในไข่แดง ^[33]

โมเลกุลที่ประกอบเป็นของเหลวนั้นไม่เป็นระเบียบและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงซึ่งทำให้ของเหลวยากที่จะอธิบายอย่างเข้มงวดในระดับโมเลกุล สิ่งนี้แตกต่างกับอีกสองขั้นตอนทั่วไปของสสารก๊าซและของแข็ง แม้ว่าก๊าซจะไม่เป็นระเบียบ แต่ก็มีการเจือจางเพียงพอที่จะละเว้นการโต้ตอบหลาย ๆ ตัวได้และสามารถจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในรูปแบบของเหตุการณ์การชนกันแบบไบนารีที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนได้ ในทางกลับกันแม้ว่าของแข็งจะมีความหนาแน่นและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรง แต่โครงสร้างปกติของพวกมันในระดับโมเลกุล (เช่นโครงตาข่ายแบบผลึก) จะช่วยให้สามารถทำให้เข้าใจง่ายในเชิงทฤษฎีได้อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยเหตุนี้ทฤษฎีของของเหลวด้วยกล้องจุลทรรศน์จึงได้รับการพัฒนาน้อยกว่าก๊าซและของแข็ง ^[34]

ปัจจัยโครงสร้างคงที่

โครงสร้างของของเหลวเชิงเดี่ยวแบบคลาสสิก อะตอมมีเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดหลายคนติดต่อกัน แต่ยังไม่มีลำดับระยะไกล

ในของเหลวอะตอมไม่ได้ในรูปแบบผลึกตาข่ายหรือพวกเขาแสดงให้เห็นรูปแบบอื่น ๆในระยะยาวเพื่อ นี้เป็นหลักฐานจากกรณีที่ไม่มียอดแบรกก์ในX-rayและนิวตรอนเลนส์ ภายใต้สภาวะปกติรูปแบบการเลี้ยวเบนจะมีสมมาตรแบบวงกลมซึ่งแสดงถึงไอโซโทรปีของของเหลว ในทิศทางรัศมีความเข้มการเลี้ยวเบนจะแกว่งอย่างราบรื่น โดยปกติจะอธิบายโดยปัจจัยโครงสร้างคงที่ S (q)โดยมี wavenumber q = (4π / λ) sin θกำหนดโดยความยาวคลื่นλของโพรบ (โฟตอนหรือนิวตรอน) และมุม Bragg θ การสั่นของS (q)เป็นการแสดงลำดับใกล้ของของเหลวนั่นคือความสัมพันธ์ระหว่างอะตอมกับเปลือกหอยสองสามเปลือกที่ใกล้ที่สุดอันดับสองใกล้ที่สุด ... เพื่อนบ้าน

คำอธิบายที่ง่ายขึ้นของความสัมพันธ์เหล่านี้จะได้รับจากฟังก์ชั่นการกระจายรัศมี กรัม (R)ซึ่งเป็นพื้นฟูเรียร์ของS (Q) มันแสดงถึงค่าเฉลี่ยเชิงพื้นที่ของสแนปช็อตชั่วคราวของความสัมพันธ์คู่ในของเหลว

ฟังก์ชั่นการกระจายรัศมีของ ของเหลวรุ่น Lennard โจนส์

การกระจายเสียงและการผ่อนคลายโครงสร้าง

นิพจน์ด้านบนสำหรับความเร็วเสียง ${\ displaystyle c = {\ sqrt {K / \ rho}}}$มีกลุ่มโมดูลัส เค ถ้าKความถี่อิสระแล้วพฤติกรรมของของเหลวเป็นสื่อเชิงเส้นเพื่อให้แพร่กระจายเสียงโดยไม่ต้องกระจายและไม่มีโหมดการมีเพศสัมพันธ์ ในความเป็นจริงของเหลวใด ๆ แสดงการกระจายตัวบางส่วน: ด้วยความถี่ที่เพิ่มขึ้นKข้ามจากขีด จำกัด ความถี่ต่ำคล้ายของเหลว${\ displaystyle K_ {0}}$ จนถึงขีด จำกัด ความถี่สูงเหมือนของแข็ง ${\ displaystyle K _ {\ infty}}$. ในของเหลวปกติมากที่สุดกว่าข้ามนี้เกิดขึ้นที่ความถี่ระหว่าง GHz และ THz บางครั้งเรียกว่าhypersound

ที่ความถี่ย่อย GHz ของเหลวธรรมดาไม่สามารถรักษาคลื่นเฉือนได้ : ขีด จำกัด ความถี่ศูนย์ของโมดูลัสเฉือนคือ${\ displaystyle G_ {0} = 0}$. บางครั้งสิ่งนี้ถูกมองว่าเป็นคุณสมบัติที่กำหนดของของเหลว ^{[35] [36]}อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับโมดูลัสจำนวนมากKโมดูลัสเฉือนGขึ้นอยู่กับความถี่และที่ความถี่ไฮเปอร์ซาวด์จะแสดงการข้ามที่คล้ายกันจากขีด จำกัด ที่คล้ายของเหลว${\ displaystyle G_ {0}}$ จนถึงขีด จำกัด ที่เหมือนของแข็งและไม่เป็นศูนย์ ${\ displaystyle G _ {\ infty}}$.

ตามความสัมพันธ์ของ Kramers-Kronigการกระจายของความเร็วเสียง (กำหนดโดยส่วนจริงของKหรือG ) จะไปพร้อมกับค่าสูงสุดในการลดทอนเสียง (การกระจายที่กำหนดโดยส่วนจินตภาพของKหรือG ) ตามทฤษฎีการตอบสนองเชิงเส้นการแปลงฟูริเยร์ของKหรือGอธิบายว่าระบบกลับเข้าสู่สภาวะสมดุลหลังจากการรบกวนภายนอกอย่างไร ด้วยเหตุนี้ขั้นตอนการกระจายตัวในภูมิภาค GHz..THz จะเรียกว่ายังผ่อนคลายโครงสร้าง ตามที่ทฤษฎีบทผันผวน-กระจายผ่อนคลายต่อความสมดุลมีการเชื่อมต่ออย่างใกล้ชิดกับความผันผวนในสมดุล ความผันผวนของความหนาแน่นที่เกี่ยวข้องกับคลื่นเสียงสามารถสังเกตการทดลองโดยBrillouin กระเจิง

ในการทำให้ของเหลวเย็นลงเป็นพิเศษต่อการเปลี่ยนผ่านของแก้วการไขว้จากการตอบสนองที่เหมือนของเหลวเป็นของแข็งจะเคลื่อนที่จาก GHz ไปยัง MHz, kHz, Hz, ... ; ในทำนองเดียวกันเวลาลักษณะเฉพาะของการคลายตัวของโครงสร้างจะเพิ่มขึ้นจาก ns เป็นμs, ms, s, ... นี่คือคำอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์สำหรับพฤติกรรม viscoelastic ที่กล่าวถึงข้างต้นของของเหลวที่ขึ้นรูปแก้ว

ผลกระทบของการเชื่อมโยง

กลไกของการแพร่กระจายของอะตอม / โมเลกุล(หรือการกระจัดของอนุภาค ) ในของแข็งเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกลไกของการไหลของความหนืดและการแข็งตัวในวัสดุของเหลว คำอธิบายของความหนืดในแง่ของโมเลกุล "พื้นที่ว่าง" ภายในของเหลว^[37]ถูกปรับเปลี่ยนตามความจำเป็นเพื่อที่จะอธิบายถึงของเหลวที่โมเลกุลเป็นที่รู้กันว่า "เกี่ยวข้อง" ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิปกติ เมื่อโมเลกุลต่างๆรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโมเลกุลที่สัมพันธ์กันพวกมันจะล้อมรอบภายในระบบกึ่งแข็งซึ่งก่อนหน้านี้มีให้เป็นพื้นที่ว่างสำหรับโมเลกุลเคลื่อนที่ ดังนั้นความหนืดที่เพิ่มขึ้นเมื่อทำให้เย็นลงเนื่องจากแนวโน้มของสารส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการทำความเย็น ^[38]

ข้อโต้แย้งที่คล้ายกันสามารถนำมาใช้เพื่ออธิบายผลกระทบของความดันกับความหนืดที่มันอาจจะคิดว่ามีความหนืดเป็นส่วนใหญ่การทำงานของไดรฟ์สำหรับของเหลวที่มี จำกัดอัด ดังนั้นจึงคาดว่าจะมีความหนืดที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับความดันที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้หากปริมาตรถูกขยายด้วยความร้อน แต่ลดลงอีกครั้งด้วยความดันความหนืดก็ยังคงเหมือนเดิม

แนวโน้มในท้องถิ่นในการวางแนวของโมเลกุลในกลุ่มเล็ก ๆ ทำให้ของเหลว (ตามที่อ้างถึงก่อนหน้านี้) มีความสัมพันธ์กันในระดับหนึ่ง การเชื่อมโยงนี้ส่งผลให้เกิด "ความดันภายใน" ภายในของเหลวซึ่งมีสาเหตุมาจากโมเลกุลเหล่านั้นเกือบทั้งหมดซึ่งเนื่องจากความเร็วต่ำชั่วคราว (ตามการกระจายของแมกซ์เวลล์) ได้รวมตัวกับโมเลกุลอื่น ความดันภายในระหว่างโมเลกุลดังกล่าวหลายโมเลกุลอาจสอดคล้องกับความดันระหว่างกลุ่มโมเลกุลในรูปของแข็ง